Il principio di funzionamento di una cella fotovoltaica può essere generalmente descritto come segue:
Il materiale di base delle celle solari è un semiconduttore, un particolare tipo di materiale in cui gli elettroni legati possono facilmente diventare elettroni liberi quando assorbono della luce (fotoni). Questo effetto è chiamato fotoelettrico. Quando un elettrone legatosi libera, una lacuna (o vacanza)e conseguentemente una "coppia elettrone-lacuna" vengono creati.

La creazione di
coppie elettrone-lacuna dovute all’assorbimento della luce è il requisito basilare di un materiale fotovoltaico; in una cella fotovoltaica è necessaria la presenza di una differenza di potenziale che permetta di separare le cariche e fornire una corrente elettrica ad un circuito esterno. Un processo, chiamato drogaggio (doping)del semiconduttore è quindi necessario.
In semiconduttori di silicio cristallino (Si), il drogaggio viene ottenuto inserendo una piccolissima quantità di atomi di Boro (B) nel silicio , creando un cosiddetto materiale di "tipo p".
Inserendo una piccola quantità di Fosforo (P) invece si crea un materiale di “tipo n”. Avendo 3 elettroni di valenza (anziché i 4 elettroni di valenza del Si) il B è in grado di ottenere un elettrone libero quando è circondato da atomi di silicio ed è perciò chiamato "accettore". Un atomo di P invece ha 5 elettroni di valenza e rilascia un elettrone supplementare quando è circondato da atomi di Si (perciò è chiamato "donatore").

Quando un materiale dogato p e uno drogato n vengono affiancati si crea una differenza di potenziale e- quindi un campo elettrico- che è in grado di separare i portatori elettrici (elettroni/lacune) e di creare una corrente elettrica quando alla cella viene applicata un carico elettrico.

I fotoni
di energia solare incidente sulla cella solare hanno energia sufficiente per rompere le coppie elettrone-lacuna e renderli liberi. Gli elettroni liberi in prossimità del campo elettrico vengono sospinti verso il lato n, mentre le lacune verso il lato p. Un carico elettrico esterno -chiudendo il circuito- consente agli elettroni di fluire verso il lato p e ricombinarsi con le lacune (e viceversa).

 

L'elemento di base è una cella fotovoltaica. Le celle fotovoltaiche quando connesse insieme creano un modulo fotovoltaico. Un impianto fotovoltaico è creato quando i moduli fotovoltaici sono connessi insieme.

Cella fotovoltaica - Modulo fotovoltaico - Impianto fotovoltaico

Esistono diverse tecnologie fotovoltaiche ognuna con caratteristiche diverse secondo il tipo di cella o tecnologia impiegata. Tra queste, le più diffuse sono: monocristallina, multicristallina e a film sottile (silicio amorfo, micromorfo, CIS, CdTe).

Silicio monocristallino (sc-Si)
Per la produzione di celle monocristalline si utilizzano semiconduttori dotati di una struttura altamente pura. Dalla massa fusa di silicio si ricavano delle barre che vengono in seguito tagliate in sottili placche (wafers). Questo metodo di produzione garantisce al prodotto un rendimento molto alto. Si presenta in genere di colore nero o blu uniforme.

Silicio policristallino (mc-Si)
La produzione di celle multicristalline è meno onerosa: In questo caso la massa di silicio viene fusa in blocchi, i quali infine vengono tagliati a dischetti. Durante il processo di solidificazione si formano delle strutture cristalline di differenti dimensioni, che presentano sulla loro superficie alcuni difetti. Di conseguenza, il rendimento di questo tipo di celle è leggermente inferiore. Le celle di silicio multicristalline sono generalmente quadrate o rettangolari. L'aspetto "chiazzato" e “splendente” della loro superficie è caratteristico della loro natura multicristallina.

Silicio amorfo (a-Si)
Il silicio amorfo non è organizzato in strutture cristalline e la cella è caratterizzata da un sottile strato di semicondutore (film sottile). Ha un costo del 30-40% inferiore al silicio mono e policristallino con rendimenti anche minori.

Diseleniuro di rame e indio (CIS) e Diseleniuro di rame, indio e gallio (CIGS)
Entrambe hanno efficienze superiori al silicio amorfo, ma ancora sono poco diffusi a causa del loro costo elevato. Due svantaggi  di questo tipo di tecnologia sono la limitata disponibilità di indio (In) e le tracce di cadmio (Cd) ed altri materiali tossici in produzione.

Tellururo di cadmio (CdTe)
Nuovo semiconduttore con rese superiori a quelli ora diffusi. Questa tecnologia ha un basso costo di produzione ed un buon Energy-Pay-Back Time. I suoi svantaggi sono gli stessi della tecnologia precedente; la disponibilità di indio (In) e le tracce di materiali tossici (come cadmio) in produzione.

Celle multigiunzione
Per aumentare l'efficienza complessiva della cella, questa viene realizzata con più strati di materiale semiconduttore con gap di energia diversa (diversa risposta spettrale), in modo che ciascuno possa assorbire in modo ottimale i fotoni di un certo range di energia.

Tecnologia fotovoltaica Efficienza modulo [%] Potenza per m2 di moduli PV [Wp] Spazio necessario per 1kWp [m2]
sc-Si 14-21 140-210 5-7
mc-Si 12-18 120-180 6-8
a-Si 4-10 40-100 10-25
CIS, CIGS 9-13 90-130 8-11
CdTe 12-14 120-140 7-8
Celle multigiunzione 7-9 70-90 11-14


Terza generazione

Il campo delle celle solari organiche comprende tutti quei dispositivi la cui parte fotoattiva è basata sui composti organici del carbonio. La struttura base di una cella organica è detta "a sandwich" ed è composta da un substrato, in vetro o polimerico flessibile, e da una o più sottilissime pellicole, che contengono i materiali fotoattivi, frapposte tra due elettrodi conduttivi. Le celle organiche più efficienti, ispirandosi al processo di fotosintesi clorofilliana, utilizzano una miscela di materiali in cui un pigmento assorbe la radiazione solare e gli altri componenti estraggono la carica per produrre elettricità. La gamma di pigmenti che possono essere impiegati include quelli a base vegetale, i polimeri e le molecole sintetizzate. La gamma di celle solari organiche è ampia e si trova in diversi stadi di ricerca e di maturazione tecnologica e comprende, in sintesi, le celle "dye sensitized" (la cui parte fotoelettricamente attiva è costituita) da un pigmento, da ossido di titanio e da un elettrolita), organiche (la cui parte attiva è totalmente organica o polimerica), ibride organico/inorganico e ibride biologico. Queste ultime, sono particolarmente interessanti per la bio-compatibilità del materiale fotoattivo utilizzato in alcuni prototipi di laboratorio. Efficienze massime del 10-12% e tempi di vita di vari anni sono stati misurati in laboratorio per celle DSCC. Nella costruzione del pannello è possibile utilizzare alcune tecniche a scansione a basso costo, quale l'ink-jet printing, in cui il materiale fotovoltaico può essere depositato, su larghe aree e a costi molto ridotti, in soluzione liquida come veri e propri inchiostri in aria libera, riducendo l'impatto ambientale e i costi di produzione. Diversi componenti DSCC e polimeri sono già in produzione e disponibili sul mercato. (Fonte: www.chose.uniroma2.it)

Concentratori solari luminescenti (LSCs)
Gli LSCs (acronimo di Luminescent Solar Concentrators) sono costituiti da lastre di materiale trasparente (plastico o vetroso) all'interno del quale sono dispersi coloranti fluorescenti che assorbono una parte della luce solare e la emettono all'interno della lastra medesima. La radiazione emessa, sfruttando il fenomeno della riflessione totale interna utilizzato nelle fibre ottiche, è condotta verso i sottili bordi della lastra dove viene concentrata su celle solari di piccola superficie, che la trasformano in energia elettrica.